準確了解生物組織中氧分壓對患者的護理和缺血性疾病的治療至關(guān)重要。然而，目前測量組織中氧分壓的方法有諸多局限性，通常需要訓練有素的專業(yè)人員操作程序復雜的設(shè)備。

此外，角質(zhì)層的屏障功能雖阻擋了皮膚氧氣交換，但也阻礙了透過表皮直接測量組織中快速變化的氧分壓。

為此，來自美國哈佛醫(yī)學院的Conor L. Evans教授團隊開發(fā)出一種可以克服皮膚屏障功能的氧敏磷光微針陣列（MNAs），可在0~160 mmHg的生理范圍內(nèi)監(jiān)測真皮層中的氧分壓。

此外，該MNAs可以與可穿戴設(shè)備結(jié)合，實現(xiàn)對氧分壓的無線實時監(jiān)測。相關(guān)研究以“Phosphorescent Microneedle Array for the Measurement of Oxygen Partial Pressure in Tissue”為題于近期發(fā)表在ACS Sensors上。

氧敏磷光MNAs的制備和氧傳感機制

MNAs由長度和間距為1000 μm的6 × 6微針陣列組成（圖1a），該尺寸可以使微針有效地進入毛細血管層而不產(chǎn)生痛感。

研究人員選擇聚甲基丙烯酸乙酯（PEMA）和聚甲基丙烯酸丙酯（PPMA）作為制備微針的材料，因為這些透明聚合物具有高氧滲透性和良好的生物相容性。

背板則采用聚乳酸（PLA），該材料也具有良好的生物相容性和透明度，且氧滲透性弱于PEMA和PPMA。

MNAs還摻入了氧敏紅色磷光金屬卟啉分子，氧氣會使氧敏磷光分子產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移，減小熒光強度和壽命，形成反比例關(guān)系。

MNAs穿透角質(zhì)層后，組織間質(zhì)液和毛細血管層中的氧氣擴散到氧敏微針上，通過熒光強度和壽命的變化監(jiān)測血氧含量（圖1b）。

圖1 （a）MNAs的尺寸；（b）皮膚中MNAs的氧傳感機制；（c）光學無線可穿戴讀取系統(tǒng)

MNAs的磷光特性

MNAs的磷光特性通過在不同氧分壓環(huán)境下測得的發(fā)射光譜和磷光壽命曲線來表征。圖2a展示了PEMA和PPMA磷光微針在空氣和氮氣中的發(fā)射光譜。

如圖2b所示，在氮氣中，PEMA和PPMA微針的磷光壽命分別為93.1 μs和94.0 μs。當轉(zhuǎn)化為空氣時，兩者分別下降到44.2 μs和37.8 μs。

PEMA中較小的乙基可以減緩氧氣通過聚合物基質(zhì)擴散到卟啉分子的速度。因此，氧氣與卟啉分子的碰撞在PEMA中不像在PPMA中那樣頻繁，更少的卟啉分子被氧氣淬滅，因而平均熒光壽命更長。

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圖2 PEMA和PPMA磷光微針在空氣和氮氣中的（a）發(fā)射光譜和（b）磷光壽命曲線

MNAs的機械穩(wěn)定性和皮膚滲透力

圖3a直觀地證明了熒光只在MNAs微針表面而不在MNAs背板中，這表明實驗所用的微針加工技術(shù)可以制備具有透明背板和發(fā)光針的MNAs，這保證了光子在背板間的高效傳輸并有效減小了測量背景信號。

機械穩(wěn)定性則通過穿刺離體豬皮測試（圖3b）。將PEMA MNAs按壓在離體豬皮上，針發(fā)生了彎曲，但沒有一根斷裂（圖3c），這表明制備微針所用的聚合物在穿透角質(zhì)層時足夠強健，沒有喪失其機械穩(wěn)定性。

此外，光學相干層析成像（OCT）（圖4）顯示，穿透深度在400 μm~500 μm之間，該深度足以測量皮膚毛細血管和組織間質(zhì)液中的氧含量。若需到達更深的組織層和皮膚毛細血管層，可以制備尺寸更長的針。但是當針的長度增加到1000 μm~1450 μm以上，會產(chǎn)生痛感。

圖3 （a）制備后的PEMA MNAs照片；（b）臺盼藍處理過的PEMA MNAs應(yīng)用后的豬皮照片；（c）插入豬皮后的PEMA MNAs照片

圖4 （a）按壓PEMA MNAs時和（b）應(yīng)用PEMA MNAs后豬皮的OCT圖像

MNA的氧傳感能力

在豬皮上測試MNAs氧傳感能力之前，PEMA和PPMA MNAs先在氣控箱中進行校準。在氣控箱中PEMA和PPMA MNAs磷光壽命隨氧分壓的變化如圖5a所示。

隨著氧分壓的增加，PEMA和PPMA的磷光壽命分別從92.3 μs和93.4 μs縮短到45.6 μs和38.1 μs。氧分壓與卟啉的發(fā)射強度和磷光壽命的變化呈負相關(guān)。MNAs的靈敏度則通過Stern?Volmer公式轉(zhuǎn)換的散點圖得到，圖5b表明PPMA MNAs靈敏度更高。

隨后研究人員在離體豬皮上測試MNAs的氧傳感能力。MNAs測量的氧分壓（PO?）值如圖6所示，MNAs的PO?值與皮下參考氧探針的變化趨勢一致，但MNAs測得的PO?值更低一些；與皮膚表面的參考傳感器相比，MNAs的PO?值則更高。

MNAs與參考探針測量值的差異是因為參考探針穿透深度比MNAs更深。當樣本皮膚底部暴露在空氣中而表面覆蓋塑料薄膜時，氣體交換優(yōu)先發(fā)生在皮下更深的地方,更接近樣本底部的參考探針自然比MNAs和皮膚表面的參考探針更早檢測到氧含量的變化。與PPMA MNAs相比，PEMA MNAs的PO?值在檢測到氧分壓升高前出現(xiàn)延遲，這種靈敏度上的差異是因PPMA比PEMA具有更好的氧滲透性。

圖5PEMA和PPMA MNAs的（a）磷光壽命隨氧分壓的變化以及（b）相應(yīng)的Stern?Volmer圖

圖6 （a）PEMA和（b）PPMA MNAs測定離體豬皮中的氧分壓

研究人員也考慮了微針使用后的形變是否對PO?測量有影響。結(jié)果表明，MNAs在使用前和使用28周后對氧氣靈敏度沒有顯著差異（圖7）。

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圖7 （a）PEMA和（b）PPMA MNAs在皮膚上應(yīng)用前和28周后的磷光壽命與氧分壓的比較

MNAs與可穿戴讀取系統(tǒng)的結(jié)合

連接有PPMA MNAs的可穿戴設(shè)備測量的氧分壓如圖8所示，其與皮膚內(nèi)參考氧傳感器的PO?值趨勢一致，但其數(shù)值低于參考值。此外，可穿戴設(shè)備的PO?值在檢測到氧分壓升高時，出現(xiàn)了與圖6a中相似的延遲現(xiàn)象。

圖8用PPMA MNAs和可穿戴設(shè)備測量分離豬皮的氧分壓

綜上所述，這款氧敏MNAs能克服角質(zhì)層的屏障功能，在0~160 mmHg生理范圍內(nèi)測量皮下的氧分壓。MNAs與可穿戴設(shè)備的結(jié)合表明這項技術(shù)可以以小型化、用戶友好的形式在醫(yī)院和急診室進行血氧監(jiān)測。在未來臨床實驗前，可先在大型動物上測試，以確保MNAs在活體復雜條件下的氧傳感能力。

審核編輯：劉清